如何使用藍牙m(xù)esh擴展無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

作者 / Martin Woolley 藍牙技術(shù)聯(lián)盟EMEA開發(fā)關(guān)系經(jīng)理

摘要：藍牙mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標準規(guī)范于2017夏季發(fā)布，這種全新的藍牙技術(shù)就是為智能樓宇、商業(yè)照明和智能工業(yè)等用例而設(shè)計的。

引言

　　藍牙m(xù)esh使藍牙的功能在藍牙無線電技術(shù)、藍牙BR / EDR和低功耗(LE)藍牙的基礎(chǔ)上得以擴展和延伸。

　　藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)并不是無線電技術(shù)，它是一種可用于構(gòu)建包含大量藍牙設(shè)備或節(jié)點的多對多網(wǎng)絡(luò)的連接技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中，由一個節(jié)點發(fā)送的消息能夠在節(jié)點之間傳送，直到其達目的地。這就讓通信從本質(zhì)上超出了點對點直接廣播的傳輸范圍。消息副本可在網(wǎng)絡(luò)中通過多條路徑傳輸，不需要設(shè)置特殊規(guī)則，為網(wǎng)絡(luò)帶來了高可靠性。多跳(Multi-hop)和多路徑傳輸是藍牙m(xù)esh技術(shù)中的固有功能。

　　隨著工程師開始了解藍牙m(xù)esh技術(shù)，并逐漸熟悉相關(guān)術(shù)語和功能，我有時會被問到一個問題:“藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)究竟能擴展到多少個節(jié)點?”簡短的回答就是：“視實際應(yīng)用情況而定?！?/p>

　　在本文中，我想更仔細地探討這個問題，并為那些希望了解藍牙m(xù)esh是否符合他們開發(fā)要求的人提供更有幫助的答案，那么我們首先要理解為什么這個問題的簡短答案永遠是“視實際應(yīng)用情況而定”。

1 容量

　　對于使用任何無線通信技術(shù)的系統(tǒng)，它的可擴展性的主要限制因素就是無線電傳輸容量有限而且需要資源共享。任何位于彼此無線電通信范圍內(nèi)，并使用相同頻率來傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備組都在共享該無線電資源，并存在相互競爭。那些超出傳輸范圍或使用不同頻率的設(shè)備則不存在這一問題。因此，相較于節(jié)點總數(shù)，網(wǎng)絡(luò)的密度和冗長程度更值得關(guān)注。

　　下面的圖1顯示了一個由大量路燈組成的mesh網(wǎng)絡(luò)，每個路燈都是mesh中的一個節(jié)點。由于這些節(jié)點的分布呈線性且間隔適當，單個節(jié)點一般最多也只會處在幾個其他節(jié)點的傳輸范圍內(nèi)，因此對共享無線電頻譜幾乎不存在競爭。

　　另一方面，圖2顯示了樓宇底層。因為密集的部署模式，大多數(shù)mesh節(jié)點都位于彼此的直接無線電范圍內(nèi)，因此這些節(jié)點都在彼此競爭，使用相同的無線電資源。只是它們到底表現(xiàn)如何就成為了一個有趣的問題，并且比之前那個“藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)能擴展到多少個節(jié)點”的問題更有意義，也更有望得到解答。

　　我們現(xiàn)在意識到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密度是一個重要的因素，但它仍然無法很好地解釋實際容量或可擴展性問題。關(guān)于這些節(jié)點如何有效利用共享無線電頻譜，將成為下一個需要思考的問題，這也是理解可擴展性這一問題的關(guān)鍵。

　　事實上，我想尋找一個理想化的理論方式來解釋容量，但在此之前，我們有必要更好地對“容量”進行定義。在mesh網(wǎng)絡(luò)中，我們最終關(guān)注的是網(wǎng)絡(luò)能夠為多少工作提供支持。換句話說，在給定的時間范圍內(nèi)能成功執(zhí)行多少次mesh網(wǎng)絡(luò)操作?網(wǎng)絡(luò)操作的示例可能包括增加由調(diào)光器開關(guān)發(fā)送的一大組照明燈亮度的消息，以及向其他建筑系統(tǒng)告知房間中人數(shù)的傳感器讀數(shù)。我們還能想到其他更多從學術(shù)角度進行測量的方式，但最終談到容量和可擴展性時，我們真正感興趣的是網(wǎng)絡(luò)讓我們能夠完成多少樓宇中涉及設(shè)備和系統(tǒng)的有用的工作。

　　我將用一種類比的方式來闡述容量這一概念。見圖3。

　　圖3中的每量卡車代表一個工作單元，其通常通過無線網(wǎng)絡(luò)中單包的傳輸來完成?？ㄜ囈惠v接一輛沿著單車道行駛，一個車道代表一個射頻。一輛接一輛的卡車表明我們使用了該單頻網(wǎng)絡(luò)提供的所有理論容量。卡車行駛速度相當慢，每分鐘從橋下穿過的數(shù)量也不多，稱之為X。因此可以說，圖3所示的這一無線通信技術(shù)在最大理論容量下，每分鐘能夠處理X次操作。

　　藍牙m(xù)esh有賴于低功耗藍牙4.0及以上版本進行基礎(chǔ)無線電通信。低功耗藍牙 4.x的符號速率為每秒1兆符號(Ms/s)，比基于其他mesh技術(shù)的速度快四倍;例如IEEE 802.15.4，其運行速度為每秒250千符號(ks/s)。請注意，符號(symbol )相當于無線電模擬世界中的比特位(bit)，而非藍牙堆棧中較高層的數(shù)字世界。

　　考慮到這一點，想象一下我們的卡車還能比圖3快四倍。

　　顯然，由于低功耗藍牙的符號速率更快，我們?nèi)缃衲軌蛲瓿伤谋兜墓ぷ髁俊?/p>

　　我們的大卡車代表大型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)，它們占用了大量的無線電廣播時間。藍牙m(xù)esh最多使用29個八位字節(jié)大小的PDU，小到令人難以置信，其中常見消息類型，比如用于開關(guān)設(shè)備的消息類型，其長度僅為22個八位字節(jié)。低功耗藍牙封包中有一些附加數(shù)據(jù)，他們位于PDU兩頭，但大約只占18個八位字節(jié)。因此，無論您怎么看，mesh封包都是小而高效的。當然，其他無線電技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)PDU也具有類似的附加無線電數(shù)據(jù)。

　　29個八位字節(jié)相較于其他一些mesh技術(shù)的PDU要小得多，可能只有它們所用PDU大小的三分之一。

　　有了針對mesh網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化的小型封包，我們就能基于給定的無線電頻譜完成更多有用的工作，因為每個小型封包消耗的廣播時間比大封包要少得多。

　　還是以交通作類比，讓我們再來看一下許多無線技術(shù)在單一頻率(即RF信道)上運行。在配置系統(tǒng)時，您可以從一系列支持信道中進行選擇，然而一旦選擇完成，所有通信都將在該單一信道中進行。上面的圖3、4和5中的單一車道就體現(xiàn)了這一點。但藍牙m(xù)esh能夠使用三種不同的頻率，因此可用的原始無線電資源也有三倍之多，如圖6所示。

　　有效且高效地使用共享無線電頻譜對于容量和可擴展性至關(guān)重要，兩者的重點都在于要完成工作。藍牙m(xù)esh因其優(yōu)化的封包設(shè)計和低功耗藍牙無線電的使用而高效且具有可擴展性。

2 沖突

　　通過上一節(jié)的敘述，您應(yīng)該對影響共享無線電媒介容量的基本因素有了大致了解。其描述相當簡化，主要是為了轉(zhuǎn)到現(xiàn)在的這一主題上來。實際上，任何無線電資源的理論容量都無法全部得以有意義地使用，因為隨著共享該媒介的設(shè)備數(shù)量增加，封包沖突的可能性也會增加。

　　進一步了解沖突有助于更好地洞察可擴展性問題，同時也有助于為我們的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計決策提供充分的信息。

　　如果處于彼此無線電范圍內(nèi)的兩臺設(shè)備在相同頻率上同時傳輸數(shù)據(jù)，就會產(chǎn)生我們所謂的沖突，沖突數(shù)據(jù)包基本上都會丟失。無線技術(shù)通常會盡力避免沖突或通過某種機制來容納沖突，這種機制是用來確保沖突所涉及設(shè)備會在隨機等待一段時間后重新進行傳輸。藍牙采用的是后一種方式。

　　沖突會降低性能并使可擴展性受限。

　　兩臺設(shè)備并不是完全同步傳輸信息才會發(fā)生沖突。傳輸?shù)姆獍灰跁r間上有重疊并使用相同的RF信道就會發(fā)生沖突，如圖8所示。

　　圖8中的Alpha是封包占用無線電信道的時間段。在此期間，任一由另一臺設(shè)備發(fā)送的其他封包都將導致沖突，如圖8中的示例所示。

　　在所有無線通信中，無論使用何種技術(shù)，當網(wǎng)絡(luò)承載的流量高到一定程度時，產(chǎn)生的沖突就會導致網(wǎng)絡(luò)到達有效容量極限，這一極限稍低于圖3-6中描述的理論絕對極限。

　　封包所需的無線電廣播時間越少，發(fā)生沖突的概率就越低。藍牙m(xù)esh較小的封包和低功耗藍牙無線電的高符號速率減少了封包所需的廣播時間，這意味著藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)在這方面表現(xiàn)良好。在網(wǎng)絡(luò)由于沖突到達有效極限之前，更多的封包能夠得到處理，因此網(wǎng)絡(luò)可以擴展，從而處理更大量的操作。

3 網(wǎng)絡(luò)可擴展性問題回顧

　　比起網(wǎng)絡(luò)能夠支持多少個節(jié)點，我們更應(yīng)該了解的是：對于性能和可擴展性更好的衡量標準是——網(wǎng)絡(luò)每秒能夠處理的mesh消息數(shù)量。因為mesh消息是藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中開展工作的基礎(chǔ)。同時，我們還應(yīng)該將“可靠性”這一概念納入我們的定義中，因為隨著流量的增加，發(fā)生沖突和消息丟失的可能性也會增加。最后，由于只有位于彼此傳輸范圍內(nèi)的設(shè)備才會共享無線電介質(zhì)，所以為評估可擴展性問題，我們只需要考慮設(shè)備是在足夠接近，并能夠進行直接通信的區(qū)域。

　　下面，請思考以下對于藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)可擴展性的定義：

　　可擴展性：可在直接無線電范圍內(nèi)的節(jié)點之間進行通信，且消息丟失率不超過x.x%的每秒內(nèi)mesh消息總數(shù)的最大值。

4 現(xiàn)實世界中的體驗

　　理論的理解很重要，但是實際用例更加有價值。

　　Silvair

　　去年，就在藍牙m(xù)esh 1.0規(guī)格發(fā)布之前，我訪問過位于波蘭克拉科夫的Silvair辦公室。Silvair 是一家開發(fā)無線照明控制解決方案的公司，該公司首席技術(shù)官Szymon Slupik先生是藍牙m(xù)esh工作組的主席。他們的辦公室中包含一個由分布于樓宇底層多個房間中的數(shù)百盞照明燈、各種傳感器和開關(guān)組成的全方位藍牙m(xù)esh測試環(huán)境。

　　站在前臺，我能夠透過每個辦公室門上的玻璃面板看到各個房間內(nèi)的許多照明燈。使用標準的安卓智能手機，我就能連接到mesh代理節(jié)點，同時對約274盞照明燈統(tǒng)一進行明暗調(diào)節(jié)。這是我第一次使用藍牙m(xù)esh的實踐經(jīng)驗。

　　之前我曾見過其他的專有mesh解決方案，但它們都存在照明燈響應(yīng)延遲的問題，尤其是那些位于開關(guān)直接無線電傳輸范圍之外的照明燈。當我對Silvair測試環(huán)境的照明燈進行控制時，沒有出現(xiàn)明顯的延遲問題，可以說根本沒有能夠察覺得到的延遲。當我在智能手機屏幕上滑動手指時，所有照明燈能夠立即響應(yīng)。亮度的調(diào)節(jié)也是如此順暢，且所有照明燈都能同步進行。一切都很完美。我可是個注重證據(jù)又非常較真的人，但現(xiàn)在不得不說這確實給我留下了深刻的印象!

　　我采訪了Silvair的首席技術(shù)官Szymon，他告訴我他們整個樓宇現(xiàn)在都配備了藍牙m(xù)esh照明系統(tǒng)。請注意，這不是測試系統(tǒng)，這是該樓宇中已經(jīng)投入生產(chǎn)的照明系統(tǒng)，且為所有用戶所用。

　　房間內(nèi)還安裝了藍牙m(xù)esh傳感器。在帶窗戶的房間內(nèi)，環(huán)境光傳感器與房間內(nèi)的mesh照明進行通信，以便進行日光采集。無論外面有多亮或多暗，都能確保房間整日保持一致的光線。其他沒有自然光線的房間則安裝有占用傳感器，只有在房間被占用時才開燈。這有助于降低成本并優(yōu)化員工的工作環(huán)境。

　　在我看來，Silvair的大樓就是一個很好的實例，體現(xiàn)出了藍牙通信有潛力在極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中順利運行。對此我也咨詢了Szymon，他的回答如下：

　　Silvair公司的Szymon Slupik說：“我們的樓宇可能是地球上受輻射最嚴重、噪音最大的藍牙應(yīng)用環(huán)境。樓宇中分布有超過1000臺藍牙設(shè)備，它們構(gòu)成了多個壓力測試系統(tǒng)。它們每秒會產(chǎn)生共數(shù)百條消息。最讓人放心的是，在這種環(huán)境下藍牙也能順利工作。投入生產(chǎn)的照明系統(tǒng)、我們?yōu)榈皆L客戶提供的演示、以及普通的藍牙設(shè)備都能順利運行......大多數(shù)員工都使用藍牙鍵盤和鼠標，并會通過藍牙耳機進行電話交談。順便提一下，WiFi也能順利運行。該樓宇有12個高容量接入點，可以為超過150臺設(shè)備提供服務(wù)。我們自己已經(jīng)證明了這項技術(shù)已經(jīng)迎來了它的黃金時期，并為大規(guī)模采用做好了準備。我們對它的前景非常有信心。”

5 結(jié)論

　　希望我對藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)可擴展性這一主題的介紹能夠?qū)δ杏?。我已?jīng)從每秒消息傳輸和執(zhí)行的mesh操作層面(而非網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)量的層面)對概括性的問題進行了重新定義。我們已經(jīng)對影響容量和可擴展性的關(guān)鍵的和一般性適用因素進行了研究，并探討了藍牙m(xù)esh如何運用低功耗藍牙來提供顯著的可擴展性優(yōu)勢。

　　顯而易見的是，藍牙m(xù)esh讓我們能夠創(chuàng)建具有高度可擴展性的mesh網(wǎng)絡(luò)，它能夠通過頻譜效率、卓越的無線電性能和優(yōu)化的mesh網(wǎng)絡(luò)封包設(shè)計來實現(xiàn)對大量消息的處理。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第10期第22頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。